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石墨烯的制备、结构、特性及应用前景

班级：热能082

姓名：陆时杰

学号

致乔文明老师：

乔老师这课讲的很有意思，我虽然是学热能与动力工程的，但是我对

这些新型材料很有兴趣，尤其是它在航空航天和军事等领域的应用。在上

这个课之前我就知道多孔碳材料可用用来做雷达波的吸收材料，像现在一

些民用器材，比如汽车、自行车。鱼竿等等，都有采用碳纤维材料，不但

重量很轻，而且强度很大。就是目前市场上这种材料的商品价格往往高的

离谱，买不起啊！不过在上这个课还是收获蛮多的，对碳材料有了更深入

的认识，就拿石墨烯来说，以前就是听过这玩意很坚固，其他方面的东西

还真不知道，通过这门课了解到它的性质和其他的一些用途。我记得曾今

美国有位老师问他的学生地球上的石油多少年能用完，他的学生立刻开始

了计算。这时这位老师说，永远都用不完。这时因为每当一种材料面临枯

竭的时候人类就会找到其替代品。现在看来是这样，这些碳材料在未来锁

发挥的作用将会非常巨大。

但就是每次一讲到这些碳材料的制备和一些条件云云，就听不懂了，

因为不是学化工的，对里面好多专业术语不了解，而且还是英文的，不查

字典基本就瞎了。不过对这课的兴趣，还是满浓厚的。

废话不扯了，下面该到正题了，因为引用了很多文献，也不确定里面

有些东西的正确性，如有问题，请老师指正。

前言

碳材料(如炭黑、煤炭、石墨、金刚石)几乎和人类一样历史悠久。20世纪

60年代以来陆续从聚丙烯腈中得到了碳纤维,由化学分解烃蒸气而产生的热解

碳以及来自于非石墨化程序的玻璃状碳等新型碳材料,这些新型碳材料与传统石

墨电极、碳黑和活性炭等碳材料有着不同的结构和特性。在20世纪70年代,出

现了针型焦碳、新型微珠,生长蒸气型碳纤维,高密度各向同性石墨,碳纤维加强

型混凝土、碳分子筛、金刚石-C和其他新型碳材料。富勒烯(C60)和纳米碳管

的发现更是开启了一个与光滑石墨层碳材料为基础的碳材料完全不同的世界。新

碳材料的发展促进了碳科学的新发展,这使重新构造C-C键,观察杂化轨道(SP+

2π,SP2+π和SP3)成为一种趋势。

1、纳米碳材料的定义

传统的纳米材料把组成相或晶粒结构控制在100纳米以下的长度尺寸的材

料称为纳米材料。但从碳材料的生产控制因素和特征关键点,我们可以将纳米碳

材料定义为:在纳米状态下对碳原子的大小和结构进行有效控制而产生的碳材

料。这种定义将大小和结构放在了相同的地位,这就更容易解释纳米碳材料的多

样性,除了富勒烯和纳米碳管外还有其他更多的材料。传统碳大多数依靠天然产

生不同大小和结构的微晶或孔,并且仅其中一部分(碳黑)为纳米碳材料。比较而

言,在纳米碳材料发展中,由于我们已掌握了纳米大小和纳米结构的一重或双重

控制技术,因此在许多新型碳材料中产生了纳米碳材料。新型碳材料发展中至关

重要的因素,不仅仅受纳米大小的控制,而且受纳米状态下结构的控制。在这种认

识指导下,将有利于我们对纳米碳材料的研究。

2、决定纳米碳材料性质的因素

在碳材料的生产中,主要的控制因素包括传统的和新型的方法。它们都表现

出了在碳化过程中的优势聚合体、工艺条件和关键结构或最终产品的特性。

3、纳米碳材料的应用研究

目前应用的主要纳米碳材料是石墨烯、碳黑、C60、纳米碳管。由于对纳米

碳管的特性了解比较深入,因此基于纳米碳管的应用研究和产业化研究成为目前

的主流。

下面，论文将就纳米碳材料中的一种——石墨烯做具体介绍，将对石墨烯的

制备、结构、性能及其应用前景做一个概述。

正文

石墨烯是一种二维晶体，最大的特性是，其中电子的运动速度达到了

1000m/s，大概是光速光速的1/300，这远远超过了电子在其他导体中的运动速

度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”，的性质和相对论

性的中微子（中微子又译作微中子，是轻子的一种，是组成自然界的最基本的粒

子之一）非常相似。

石墨烯独特而完美的结构使它具有优异的电学、力学、热学和光学等特性，

例如石墨烯具有100倍于硅的超高载流子迁移